بررسي سنتز فاز β-SiAlON از پيشسازه نانوكامپوزيت
(پلي4 – وينيل پيريدين / (Al-SBA-15، توسط فرآيند احياء كربوترمال و نيتريداسيون

سارا عباسپور1، اميرعباس نوربخش2*، روزبه جواد كلباسي3، فرهاد گلستانيفرد4
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرضا، گروه مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرضا، گروه مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه علم وصنعت، دانشكده مهندسي مواد، تهران، ايران
*Nourbakhsh@Iaush.ac.ir
(تاريخ دريافت:01/12/1389، تاريخ پذيرش:17/02/1390)

چكيده
در تحقيق حاضر خواص پيشسازه نانو كامپوزيت (پلي 4 – وينيل پيريدين / (Al-SBA-15 در راستاي تشكيل فازβ-SiAlON توسط فرآينـداحياي كربوترمال و نيتريداسيون(CRN) مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور ابتدا نانوكامپوزيتP4VP/Al-SBA-15 سنتز گرديـد وسپس نمونهها در اتمسفر نيتروژن در دماي 1450 درجه سانتيگراد، با نرخ گرمايش (C/min◦10) و زمان مانـدگاري (صـفر و 6 سـاعت ) در درجه حرارت ماكزيمم، تحت عمليات پخت قرار گرفتند. نتايج بررسيهاي آناليز فازي(XRD) نشان داد كه سـاختار مزوپـروس بـه خـوبيتشكيل شده و بررسيهاي SEM و TEM اين موضوع را به خـوبي تاييـد نمـود. طيـفAl-NMR 72 نـشان داد كـه حـضورAl درون سـاختارمزوپروسAl-SBA-15 حتمي ميباشد، طيفSi-NMR 29 نشان داد كه پليمريزاسيون بر روي سطحAl-SBA-15 به صورت موفقيتآميـزيصورت گرفته است. آناليز فازي XRD از نمونه هاي پختـه شـده تحـت اتمـسفر نيتـروژن نـشان دادكـه فـازβ-SiAlON تـشكيل شـده اسـت.
همچنين نتايج نشان داد كه نه تنها مقدار، نوع كربن و سطح ويژهي پيشسازه فاكتورهاي مهمي ميباشند، بلكه با در نظر گرفتن ميزان كـربن
بالاتر از استوكيومتري امري اجتنابناپذير ميباشد.

واژه هايكليدي:
نانوكامپوزيت، سيالون، كربوترمال، Al-SBA-15

1- مقدمه
سراميكهاي بر پايه سيالون كانديداي مناسبي جهت كاربردهايمهندسي بوده و به دليل خواص مناسبي همچون تـافنس شكـستبالا، استحكام مناسب در درجـه حـرارت بـالا، مقاومـت در برابـرخوردگي و پايداري در برابر شوك حرارتـي در سـاليان گذشـتهمورد توجه محققين قرار گرفته است [1]. سـيالونهـا را در واقـعميتوان به عنوان محلول جامد 4SiN و با جايگزينيAl به جـايSi و O ب ه ج اي N ت صور نم ود [2]. يك ي از فازه اي مه م در سي ستم س راميكه اي ب ر پاي ه س يالون β-SiAlON ب ـه فرم ول
(Z<4/2) ،(Si6-zAlzOzN8-z<) ميباشد [3 و4]. سنتزβ-SiAlON توس ط روشه اي مختلف ي مانن د مخل وطك ردن 4AlN، Si3N ، 3Al2O و 2SiO و پخــت در اتمــسفر نيتــروژن، فرآينــد احيـ اي كربوترمـال و نيتريداس يون (CRN) ب ا اسـتفاده از م ـواد طبيع يهمچون كائولينيت، هالويزيت، ايليت، زئوليـت طبيعـي و سـنتزي [5 و 8]، فرآينـ د تركيبـ ات بـ ين لايـ هاي 1 و فرآينـ د احيـ اي سيليكوترمال و نيتريداسيون صورت پذيرفته است [9].
اك سيدي ب ه خ ود جل ب نم وده اس ت . در اي ن مي ان م يت وان ايجاد ساختار مزوپروس و همچنـين اسـيد فـسفريك در راسـتايبــه الگوهــاي درشــت حفــره همچــونMCM-48 ،MCM-41 ايجاد محيط اسيدي و تنظيم PH حدود 1 استفاده گرديد.
در بين روشهاي فوق به دليل عدم كنترل دقيق نـسبتSi/Al دراشل اتمي عمدتا مقدار پارامتر Z در تركيب نمونه متفاوت بـودهو ايــن در حــالياســت كــه بــا اســتفاده از نانوكامپوزيــتهــاي مزوپروس سيليكاتي و دوپ شده با Al ايـن مـشكل تـا حـدوديرف ع گردي ده اس ت [10]. اس تفاده از پ يشس ازه درش ت حف ره سيليكاتي اخير اً توجه محققين را جهت سنتز سـراميكهـاي غيـرمنحصر به فـرد نانوكامپوزيـتAl-SBA-15 بـوده كـه مـيتوانـدجهت سنتزβ-SiAlON توسط فرآيندCRN مورد اسـتفاده قـرارگيرد [13].
در كار تحقيقاتي حاضر ابتدا نانوكامپوزيتP4VP/Al-SBA-15 سنتز گرديد و خواص پيشسازه نانو كامپوزيت سنتز شده توسـطبررسيهاي ريز ساختاري(TEM) ، آناليز فازي(XRD) و تـشديدمغناطي سي ه سته (MAS-NMR) مـورد س نجش ق رار گرفت ه و
ســپس نمونــه هــا در اتمــسفر نيتــروژن در دمــاي 1450 درجــه سانتيگراد، بـا نـرخ گرمـايش (C/min◦10) و زمـان مانـدگاري(صفر و6 ساعت) در درجـه حـرارت مـاكزيمم، تحـت عمليـاتپخت جهت تشكيل فاز β-SiAlON قرار گرفتند.

2- مواد و روش تحقيق
مــواد اوليــه مــورد اســتفاده جهــت ســنتزAl-SBA-15 شــامل تتــرا اتيــل ارتو ســيليكات (TEOS) بــه عنــوان منبــع ســيليس،
Aluminium isopropoxide بـ ه عنـ وان منبــع تـ امي ن Al و پليمر(PEO20PPO70PEO20) P123 به عنوان سورفكتانت جهـت
و SBA-152 اشاره نمود [11]. درشـت حفـرههـا (مزوپـروس هـا ) دستهاي از مواد نانوحفره بـا قطـر (nm50 -2) مـيباشـند و دارايويژگيهاي مناسبي همچون جذب سطحي بالا، سطح ويـژه بـالا،نظم ساختاري و توزيع باريك حفرات ميباشند كه در ايـن ميـانسيليكاي مزوپ روس SBA-15 با مساحت سطح ويـژه بـالا حـدود (m2/g46/782)، حجم بالاي حفره هاي هگزاگونال، انـدازه سـايزحفره (به طور نرمال nm 6-4) و مقاومت حرارتي بـالا بـه عنـوان بهترين سيليكاي درشت حفره با تقارن دو بعدي بـوده كـه داراي منافذ يكسان با آرايش شـش ضـلعي مـي باشـد [12]. قابليـت بـه دست آوردن مخلوط (SiO2-Al2O3-C)در اشل اتمي و در سايز نانو توسط تلقيح كربن (ناشي از پليمر) و آلومينيم (ناشي از پـيشسازههاي آلومينيم دار) در داخل كانالهاي SBA-15، تغيير دقيـقنسبتSi/Al در نانوكامپوزيت ((SiO2-Al2O3-C از شاخصهاي جهت بررسي الگوي تفرق اشعهX از دسـتگاه(XRD) بـا لامـپ
مس (D8ADVANCE,Germany) با طول مـوج °A5406/1 و فيلتــر نيكــل اســتفاده گرديــد . جهــت بررســي ريزســاختاري از ميكروســـــ كوپ الكترونـــــ ي عبـــــ وري (TEM) مـــــ دل (Jeol model jem 2011) و از ميكروسكوپ الكترونـي روبـشي(SEM) مدل (Jeol model jem 6500) به همـراه سيـستم EDS استفاده شد، بررسيهاي تشديد مغناطيسي هسته با چرخش تحتزاوي ه ج ادويي Al, 29Si (MAS-NMR)27 توس ط طي ف س نج
BRUKER و بــا ميــدان مغناطيــسي اعمــالي 7/11 تــسلا انجــامگرديد. جهت مـشخص نمـودن طيـفAl-NMR 27 از پـروب بـاجـ نس 4Si3N بـ ه قطـ ر 4 ميلـ يمتـ ر، بـ ا فركـ انس چـ رخش KHz 12-10 و كلي ه جابج اييه اي ش يميايي (ppm) ن سبت ب ه
طيف Si-NMR29 از پروب با جنس زيركونيا به قطر4 ميلـي متـر ، بـا فرك انس چـرخشKHz 6 و كلي ه جابج اييه اي ش يميايي (ppm) نــ سبت بـــه (TMS) تتــ را متيـــل ســ يلان ســـنجشگرديد.TGA/DSC توسط دستگاه SDTQ600 با نرخ گرمايش (C/min◦10) و سـرعت نيت روژن ml/min 5 اس تفاده ش د. ب راي اندازهگيـري پارامترهـاي سـطح ويـژه و حجـم كلـي تخلخـلهـا
شـــركت ،(Gemini modele 2365) از دســـتگاه (BET) .استفاده گرديد Micromeritics
Al-SBA-15 سنتز -1-2
جهـت س نتزAl-SBA-15 ، ابت دا 2 گـرم پليم ر P123 ب ه هم راه ml16/4 اسـ يد فـ سفريك 85% و ml15 آب دوبـ ار تقطيـ ر بـ ا يكديگر مخلوط شده و پس از بـه دسـت آمـدن محلـولي كـاملاهموژن، مواد را به همراه ml60 آب دوبار تقطير به ارلن cc 100 منتقل كرده و با توجه به نـسبت ۶۶/١Si/Al=، كـه جهـت سـنتز β-SiAlON با ۵٢/٢Z= مناسب ميباشد مقدار مناسب تتـرا اتيـ ل ارتــــــ و ســـــــيليكات (TEOS) جهــــــ ت تــــــ امين Si و Aluminium isopropoxide جهــت تــامينAl مــورد نيــاز درساختار سيالون به محلول اضافه گرديد. محلول فوق به مـدت 24 ساعت در دماي 35 درجه سانتي گراد و 24 ساعت در دماي 100 درجه سانتي گـراد توسـط يـك همـزن مغناطيـسي همـزده شـد وسپس محلول فوق تحت عمليات شستشو قرار گرفت و بـه مـدت12 ساعت در درجـه حـرارت 95 درجـه سـانتيگـراد درون آونخشك گرديد . پودر حاصله ابتدا در دماي 250 درجه سانتي گراد به مدت 2 ساعت و سـپس در دمـاي 550 درجـه سـانتيگـراد بـهمـدت 3 سـاعت درون ك وره جهـت عملي ات كلـسيناسيون ق رارگرفت.
2-2- سنتز نانو كامپوزيت P4VP/Al-SBA-15 جهـت س نتز نانوكامپوزي ت P4VP/Al-SBA-15، 5/0 گ رم، Al-SBA-15 س ـنتز ش ـده در مرحل ه قب ل را ب ـه هم راه ml 5/0 مونومر 4- وينيل پيريدين داخل يك بالن cc 25 ريختـه و ميـزان ml ٧، حلال تترا هيدروفوران (THF) و همچنين مقـدار مناسـبي بنزوئي ل پراك سيد ب ه عن وان آغ ازگر واك نش پليمريزاس يون ب ه مخلوط اضافه كرده و سپس مخلوط را در دماي 70 – 65 درجـهسانتيگراد بـه مـدت 5 سـاعت در عمـل رفلاكـس قـرار داده تـاكامپوزيت پودري نرم و سفيد رنگ ايجاد گردد.
2-3- سنتز سيالون
پ ودر نانوكامپوزي ت P4VP/Al-SBA-15 ب ه دس ـت آم ـده در مرحله 2-2 د ر اتمسفر نيتروژن در دماي 1450 درجه سانتي گـراد با نرخ گرمايش (C/min◦10) و زمان ماندگاري (صفر و6 ساعت) در درجه حرارت ماكزيمم تحت عمليـات پخـت جهـت تـشكيلفازβ-SiAlON قرار گرفتند . شماتيك كلي فرآيند سـنتز سـيالوناز پيش سازه P4VP/Al-SBA-15 به همراه سيكل پخت در شكل(1) نمايش داده شده است.

شكل (1): 1): شماتيك كلي فرآيند سنتز سيالون از پيش سازه نانوكامپوزيت
P4VP/Al-SBA-15، 2) سيكل پخت با نرخ گرمايش C/min◦01)، الف) بدون زمان ماندگاري و ب) زمان ماندگاري 6 ساعت.
نتايج و بحث
بررسي آناليز فازي (XRD) از پيش سازه مزوپـروس Al-SBA-15
شــــكل (2) الگــــوي تفــــرق اشــــعه X در زوايــــاي كــــم (Low angle XRD)، از نمونـ ههـ اي SBA-15 و Al-SBA-15 سنتز شده را نشان ميدهد. همانگونه كه از اطلاعات ايـن شـكلاس تنباط م يگ ردد ب ا ح ل ش دنAl درون س اختار SBA-15، ساختار درشت حفره سيليكاتي تا حد زيادي حفظ گرديده و اينبه دليل وجود پيكهـايي در زاويـهي پـايين (كمتـر از 2 درجـه)
ميباشد. ورودAl به درون سـاختارSBA-15 سـبب تغييـر نـسبيفاصله صفحات (110) و (200) شده و بنابراين در زوايـاي كمتـر
قابـــــل مـــــشاهده مـــــيباشـــــند. بـــــه طـــــور كلـــــي از بررسيهاي انجام گرفته توسط الگوهاي تفرق اشـعهX مـيتـوانچن ين اس تنباط نم ود ك ه Al-SBA-15 س نتز ش ده ني ز همچ ون SBA-15 داراي ساختار دو بعدي هگزاگونـال بـا تقـارنp6 mm بوده و اتمهايAl درون سـاختار درشـت حفـره سـيليكاتي قـرارگرفته است.
بررسـي سـطح ويـژهي Al-SBA-15 و نانوكامپوزيـت P4VP/Al-SBA-15
نمودار هم دمـاي جـذب و دفـع نيتـروژن(BET) جهـت بررسـيسطح ويژه Al-SBA-15 و نانو كامپوزيـتP4VP/Al-SBA-15 در شكل (3) نمايش داده شده است. با توجـه بـه نحـوه تغييـراتج ذب نيت روژن بـر ح سب ف شار ن سبيP/Pο ك ه يـك حلق ههيسترزيس را تشكيل داده ميتوان چنين استنباط نمود كـه رفتـارماده فوق در حوزه مواد مزوپـروس مـيباشـد [14]، همچنـين درجدول (1) مشخصات مربوط به حجم حفرههـا، قطـر حفـرههـا وسطح ويـژه آورده شـده اسـت. از اطلاعـات جـدول فـوق چنـيناستنباط مي گردد كه با افزودن پليمر بـه پـيشسـازهAl-SBA-15 سطح ويژه از1- m2g3/173 به حدود 1-m2g 95/61 كاهش يافته و اين در حالياست كه قطر حفرهها از nm4/2 به nm8/1 كـاهشيافت ه اسـت. اي ن موض وع در ارتبـاط ب ا پـر ش دن حفـرهه اي هگزاگون ال سـاختار Al-SBA-15 و در ح ين فرآين د پليمري زهشدن پلي 4- وينيل پيريدين ميباشد.

شكل
)
2
(
:

طيف
XRD
:

الف
(
SBA-15
وب

(
.Al-SBA-15

شكل

)

2

(

:

طيف

XRD

:

الف

(

SBA-15

وب



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید